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Bacterial infections caused by pathogenic microorganisms are classified among one of the major global health problems. In recent decades, bacterial resistance to antimicrobials has been seen as a major problem in the human and veterinary fields. The dissertation thesis is focused on the development and evaluation of the biological activity of antimicrobial agents, followed by describing the mechanism of antibiotic resistance from a molecularly microbiologically aspects. In the experimental part the nanomaterials, antimicrobial peptides, antibiotics and also the composites from these materials have been used for development of new antimicrobial agents and subsequently tested for their inhibitory effect on bacterial growth. The synthesized antimicrobials were physically and chemically characterized and their biological activity was established by basic microbiological and molecular methods. The results show that the produced composites can overcome existing drug resistance mechanisms, show excellent biocompatibility, and can be used in clinical practice in the future.

Das two-partner secretion-system (TPS-System) ist ein unter Gram-negativen Bakterien weit verbreiteter Weg der Proteinsekretion. Die als TpsA bezeichneten Exoproteine des TPS Systems benötigen ein spezifisches Partnerprotein (genannt TpsB) in Form eines kanalbildenden Transporters. Im sequenzierten Genom des Meningokokkenstammes MC58 finden sich fünf putative tpsA Gene, die als hemagglutinin/hemolysin-related protein (hrps) bezeichnete werden. Neben MC58 finden sich auch in den anderen sequenzierten Meningokokkenstämmen (FAM18, Z2491, alpha14) hrps. Diese weisen N-terminal Homologien zum filamentösen Hämagglutinin (FHA) von B. pertussis auf, das als TpsA-Protein des two-partner-secretion-system (TPS) aus der Zelle transportiert wird. In dieser Arbeit werden die hrps als hrpA Gene bzw. HrpA-Proteine bezeichnet. Alle sequenzierten Meningokokkenstämme verfügen über tpsB homologe Gene (hrpB), die jeweils in enger Nachbarschaft zu den hrpA Genen zu finden sind. Das Vorhandensein von hrpA und hrpB Genen deutet darauf hin, dass auch Meningokokken über ein funktionales TPS-System verfügen. Bei einer Dot-Blot-Analyse von 830 Meningokokkenstämmen aus einer bayerischen Trägerstudie mit Sonden spezifisch für die C-terminalen Bereiche der im Stamm MC58 gefundenen hrpA Gene hybridisierten 80% der ausgewerteten Stämme mit mindestens einer der Sonden. Stämme der hypervirulenten klonalen Komplexen (ST-8, ST-11, ST32, ST-44) zeigten sogar in über 99% eine positive Reaktion. Dagegen wiesen die nicht-hypervirulenten klonalen Komplexe zu 29% im Dot Blot kein hrpA auf, das homolog zu den hrpA Genen von Stamm MC58 ist, wobei es sich hierbei mehrheitlich (82%) um cnl Stämme handelte, so dass sich nur in 10% der untersuchten Kapsel-null-locus-Stämme (cnl) ein zu den hrpA Genen von MC58 homologes Gen nachweisen ließ. Mit der Hypothese, dass auch diese Stämme ein hrpA besitzen, welches sich im C-terimalen Anteil von denen des MC58 unterscheidet wurden in dieser Arbeit Dot Blots durchgeführt, deren Sonde spezifisch für das hrpB NMC0443 war. 97,6% der mit dieser Sonde untersuchten Stämme zeigten die Anwesenheit eines hrpB Homologs. Um die Vermutung zu bestätigen, dass allen hrpB Genen ein zugehöriges hrpA Gen benachbart liegt, wurden repräsentativ PCRs von häufigen klonalen Komplexen durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass ein TPS-System sowohl in den hypervirulenten als auch den nicht-hypervirulenten klonalen Komplexen der Meningokokken vorkommt. Die vielfältigen Funktionen von bereits untersuchten TpsA Proteinen sind zumeist mit der Pathogenität der Bakterien assoziiert. In dieser Arbeit wurde ein möglicher Einfluss der HrpA Proteine auf die Adhäsion der Bakterien an humane Zellen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl eine kapsellose, als auch eine kapsellose, LPS-trunkierte hrpA Deletionsmutante signifikant schlechter an Epithelzellen adhäriert als die parentalen Vergleichsstämme. Ebenso zeigten die analog durchgeführten Infektionsversuche mit der hrpB Deletionsmutante einen Adhärenzverlust, der jedoch nur für die unbekapselte und LPS trunkierte hrpB Deletionsmutante signifikant war. In dieser Arbeit ist es gelungen das HrpB Protein des Stammes 2120 in E. coli zu exprimieren und aufzureinigen, sodass die Entwicklung eines gegen HrpB gerichteten Antikörpers in Auftrag gegeben werden konnte. Mit Hilfe dieses Antikörpers sollen noch offene Fragen zur Synthese und dem Transport des HrpB Transportproteins beantwortet werden. Außerdem können weitere Untersuchungen zur Lage und Verteilung der HrpBs in der Meningokokkenmembran dazu beitragen, weiteren Aufschluss über die Komplexität von Pathogenität und Virulenz von N. meningitidis zu geben. / The two-partner secretion system (TPS sytem) is a widely distributed pathway for protein secretion in Gram-negative bacteria. The transport of the exoproteins, named TpsA requires a specific channel-forming transporter protein termed TpsB. The sequenced genome of the Neisseria meningitidis strain MC 58 harbors five putative tpsAs, annotated as hemagglutinin/hemolysin-related protein (hrps). In addition, there are hrps present in the sequenced strains FAM18, Z2491 and alpha14. These hrpAs show N-terminal sequence similarities to filamentous hemagglutinin (FHA) of B. pertussis, which represents the TpsA of the Bordetella TPS. According to their homology with FHA, the hrps are referred to as hrpA genes/ HrpA proteins (TpsA homologue), respectively. All sequenced strains of meningococci possess tpsB homologues genes (hrpB), closed to the hrpA genes, suggesting the presence of a functional TPS in N. meningitidis. A panel of 830 N. meningitidis isolated from healthy individuals was analyzed by dot blotting with specific probes for the C-terminal domain of strain MC58 hrpA genes. 80 % of the isolates were found to be positive for at least one of the probes. A positive signal could be demonstrated in over 99 % of the strains belonging to one of the known hypervirulent lineages (ST-8, ST-11, ST32, ST-44). Interestingly, the presence of a hrpA gene homologous to one of the MC58 hrpA genes could not be detected in 29 % of the non-hypervirulent lineages. Among those strains that did not hybridize with the probes, 82 % belonged to the clonal complex harboring the capsule null locus (cnl). We hypothesized that strains which were negative with the MC58 hrpA probes harbor undetected hrpA genes with C-terminal nucleotide sequences different from those present in strain MC58. Therefore, additional dot blots were performed with a probe specific for the highly conserved meningococcal hrpB gene NMC0443. Almost all strains (97,6%) hybridized with the probe specific for the hrpB gene. As genes for cognate HrpA protein and transporter protein are closely associated in known TPS systems, this hypothesis was tested by PCR of a selection of strains representing common clonal complexes. We showed that the TPS system is ubiquitously present in meningococci both in hypervirulent and non-hypervirulent lineages. Several TpsA proteins have been shown to contribute to virulence of bacteria. In this study we investigated the effect of HrpA proteins to adhesion of bacteria at epithelial cells. A hrpA deletion mutant displayed significantly reduced adherence to epithelial cells. This effect was observed in an unencapsulated background as well as unencapsulated background with truncated LPS. Similary designed studies with a hrpB deletion mutant resulted in reduced adherence, however only in the unencapsulated and LPS truncated background. In this study the HrpB protein was expressed and purified in E. coli and used for generation of an antiserum. This antiserum is available for further investigations concerning synthesis, transport, position and distribution of HrpB.

Die 2001 beschriebene Art B. petrii stellt den ersten Umweltkeim der Gattung Bordetella dar, welcher aus einer anaeroben, dechlorinierenden Anreicherungskultur aus Flusssediment isoliert wurde. Phylogenetisch wird B. petrii an die Basis der Gattung Bordetella eingeordnet und ist in evolutionärer Hinsicht deshalb interessant, weil er sowohl für orthologe Gene bestimmter Virulenzfaktoren der pathogenen Bordetellen kodiert als auch typische Eigenschaften von Umweltkeimen aufweist und somit eine Art Bindeglied darstellt. Da B. petrii ein orthologes BvgAS-System besitzt (der Hauptregulator der Virulenzgenexpression in den pathogenen Bordetellen), wurde dessen Struktur im Rahmen dieser Arbeit mittels in silico Analysen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Konservierung nur auf Aminosäureebene deutlich zu erkennen ist und der Response Regulator BvgA von B. petrii die stärkste Konservierung aufweist. Desweiteren besitzt B. petrii Gene für zwei Histidinkinasen, BvgS1 und BvgS2, sowie ein separates Gen, welches für eine Hpt-Domäne kodiert. Weitere putative Virulenzfaktoren von B. petrii gehören in die Gruppe der Adhäsionsfaktoren. Diese Faktoren spielen bei den „klassischen“ Bordetellen im Infektionszyklus eine wichtige Rolle für die Anheftung z.B. an die Epithelzellen des Respirationstraktes. Um ein mögliches pathogenes Potential von B. petrii abschätzen zu können, wurden vergleichende Zellkulturstudien mit B. bronchiseptica durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass B. petrii um den Faktor 7,5 weniger in Makrophagen aufgenommen wird. Hinweise auf die Funktionalität des BvgAS-Systems in B. petrii wurden durch Proteomstudien mit einer BvgA-Mutante erhalten, und deuten darauf hin, dass das BvgAS-System in B. petrii möglicherweise eine Funktion in der Respirationskontrolle haben könnte. Im Rahmen der Genomsequenzierung wurden acht genomische Inseln beschrieben, die in dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Struktur und ihrem Excisionsverhalten untersucht wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die genomischen Inseln, mit Ausnahme der Insel GI0, in verschiedenen Kombinationen, als ringförmige Intermediate aus dem B. petrii Genom ausgeschnitten werden können. Vier der genomischen Inseln (GI1-GI3 und GI6) weisen strukturelle Ähnlichkeiten zu einer Familie syntenischer genomischer Inseln auf, zu denen auch das clc-Element von Pseudomonas sp. Strain B13 zählt. Die größte Ähnlichkeit zum clc-Element weist die Insel GI3 von B. petrii auf. Diese beiden Inseln haben annähernd die gleiche Größe und besitzen Gene zu Abbau von 3-Chlorobenzoat (3-CBA). Die Untersuchung der Stabilität von GI3 ergab, dass nach 125-150 Generationen nur noch 1,5 % der Bakterien die Insel GI3 enthielten. Desweiteren konnte die Übertragung der Insel GI3 von B. petrii auf B. bronchiseptica PS2 gezeigt und der Integrationsbereich bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch ein neuer Stammbaum der Gattung Bordetella erstellt, in welchen eine Reihe kürzlich neu beschriebener B. petrii Isolate mit aufgenommen wurden wodurch ein zu den pathogenen Bordetellen abgegrenztes Cluster gebildet wird. / The in 2001 described species B. petrii represents the first environmental isolate of the genus Bordetella and was derived from an anaerobic, dechlorinating bioreactor culture enriched from river sediment. Phylogenetically B. petrii is placed at the root of the genus Bordetella. Since it possesses several orthologous genes to virulence factors of the pathogenic Bordetella species but also shows typical features of environmental bacteria, B. petrii might represent some sort of evolutionary missing link. A putative virulence factor in B. petrii is for example the BvgAS-system, which appears to be the master regulator for virulence gene expression in the pathogenic Bordetellae. In this work the structure of this BvgAS ortholog was to be investigated via in silico analyses. We could show that there is a clear conservation on amino acid level and that it is the response regulator BvgA that displays the strongest conservation. Furthermore B. petrii possesses two histidine kinase genes, bvgS1 and bvgS2, as well as a separate gene, coding for an Hpt-domain. Further putative virulence factors of B. petrii are adhesion factors. These play an important role in the infectious cycle of the classical Bordetellae to adhere e.g. to the epithelial cells of the respiratory tract. To assess a possible pathogenic potential of B. petrii, comparative cell culture studies with B. bronchiseptica were performed. They showed that the uptake of B. petrii into macrophages is 7,5 times less than the uptake of B. bronchiseptica. To learn about the function of the BvgAS-system in B. petrii, proteome studies with a BvgA-mutant were performed which indicate that the BvgAS-system in B. petrii might play a role in respiratory control and may react to changing oxygen availabilities. The genome sequencing project determined eight genomic islands which were investigated in this work regarding their structure and excision behaviour. We showed that all genomic islands, except island GI0, were able to excise from the B. petrii genome in different combinations and to form circular intermediates. Four of the genomic islands (GI1-GI3 and GI6) show structural similarity to a family of syntenic genomic islands also comprising the clc-element of Pseudomonas sp. strain B13. The island GI3 exhibits the highest similarity to the clc-element. Both islands are approximately of the same size and contain genes for 3-chlorobenzoate (3-CBA) degradation. Investigation of the GI3 stability revealed a loss of GI3 in 98,5 % of the bacteria after 125-150 generations. We further demonstrated the transfer of GI3 form B. petrii to B. bronchiseptica PS2 and also identified the integration site. In this work also a new phylogenetic tree of the genus Bordetella had to be created by integrating the recently described new B. petrii isolates which showed that the B. petrii isolates derived from different habitats form an independent cluster.

Practical Forms of the Teaching in the Preparatory Education of the Science and Biology Teachers (with a View to Microbiology) Presented thesis deals with the practical forms of education used in the practice teaching of the science and biology teachers. Especially the problem of the reflection in this process has been solved, namely in its practical components. Particularly has been focused on one special subject - microbiology. The main object of the thesis consists in a proposal how to innovate the present content of the practical part of a Microbiology Course, which should serve to the education of the students with the specification " Teaching Biology in Primary and Secondary Schools " at Faculty of Education at Charles University in Prague, resp. to the education in its bachelor's part of the structural studies (which are being prepared).

Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

Univ., Diss., 2009--Kassel.

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Salmonella Typhimurium is a Gram-negative, facultative intracellular and anaerobic bacterium with high importance as an intestinal pathogen. For successfully colonization and persistence within the host S. Typhimurium utilizes a set of virulence-associated secretion systems. One of these systems is the type I secretion system (T1SS) encoded by Salmonella pathogenicity island 4 (SPI-4). SPI-4 encodes for an adhesin which is necessary to establish initial contact between the bacteria and host cells. Subsequently, the type 3 secretion system encoded by SPI-1 (T3SS-1) injects its effector proteins into the host cell leading to the internalization of the bacteria. SPI-4 harbors six genes, siiAF. SiiCDF form the canonical subunits of the T1SS, SiiE is the only known substrate and the two accessory proteins SiiAB probably form a proton channel. SiiE is an approximately 600 kDa large secreted adhesion. Interestingly, there is only a temporal stable retention of SiiE at the bacterial surface where it can exert its adhesin function. SiiAB is thought to play an important role in the switch between secretion and stable retention of SiiE as their deletion leads to reduced adhesion and invasion of polarized epithelial cells while secretion is only mildly affected.The aim of this thesis was to further characterize the role of SiiAB for SiiE-mediated adhesion and to identify possible environmental signals for the switch between retention and secretion of SiiE. Invasion of polarized epithelial cells was used as a main readout to quantify SPI-4 function. For that the “Virtual Colony Count” method was established as an alternative analytical method and compared to the classical counting of colony-forming units (CFUs). With this automated evaluation method it was possible to increase the throughput of infection experiments and to minimize errors by manual CFU counting. SiiAB has sequence and structural homologies to MotAB and other ion- conducting channels such as PomAB, ExbBD or TolQR, which is why a similar function is assumed. By ratiometric pH measurements in living S. Typhimurium cells it could be shown that overexpression of the supposed proton channel SiiAB actually leads to a drop in intracellular pH. The mutation of a conserved aspartate residue at position 13 of SiiA resulted in loss of proton-conducting function of the SiiAB complex. The same holds true for aspartate 32 of MotB, which could confirm the hypothesis of the functionality of SiiAB. In the present study, the methyl-accepting chemotaxis protein CheM was identified and characterized as an interaction partner of SiiAB. It could be shown that the perception of aspartate by CheM shifted the ratio of secreted and retained SiiE towards the retention of the adhesin. While this effect was independent of other motility or chemotaxis components, the transduction of this signal is probably mediated through the interaction with SiiAB. The stimulation of CheM thus has a direct influence on the SPI-4 mediated adhesion of the bacteria and thus represents an example of a noncanonical signal transduction of a MCP to a virulence factor. It remains to be clarified whether this interaction is also important in vivo for a successful infection of Salmonella. Here, components of the mucus layer could provide the signals for the CheM sensor molecule resulting in precise triggering of SiiE-mediated adhesion in the enterocyte vicinity.